關(guān)于粉末床激光熔化（L-PBF）3D打印工藝質(zhì)量控制技術(shù)的討論通常圍繞在高頻、原位實時監(jiān)控，以及人工智能算法的應用等領(lǐng)域。然而，通過該技術(shù)始終如一地制造高質(zhì)量3D打印零件，還有一個容易被忽視的話題：激光校準。

粉末床激光熔化3D打印設備存在光斑尺寸漂移的可能，因此需要進行校準。但常見的激光校準流程較為繁瑣，通常是需要每隔3到6個月通過外部引入校準技術(shù)人員，將3D打印機恢復到精確的工作狀態(tài)。這一過程不僅所需時間長，較多依賴人工經(jīng)驗，且無法實現(xiàn)實時校準。

隨著粉末床激光金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展，激光校準方式也在不斷優(yōu)化，比較明確的是，軟件將替代人工經(jīng)驗在這一領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。本期，將以智能熔化金屬3D打印系統(tǒng)制造商VELO3D所采用的自動化校準技術(shù)為例，分析智能化校準技術(shù)在實現(xiàn)高質(zhì)量3D打印中所發(fā)揮的作用。

軟件正在“吞噬”一切

基于L-PBF工藝的金屬3D打印系統(tǒng)中，激光器是重要的光學器件。在這一工藝中，任何給定零件都可以有成千上萬層，逐層進行金屬粉末的熔化。由于激光對準有漂移的可能，尤其是在需要較長打印時間的情況下，零件被分為數(shù)千層逐層進行激光熔化，能夠證明在第一層有效的校準，可能在打印到數(shù)千層時已經(jīng)無效。這個問題在多激光器3D打印系統(tǒng)中更為復雜，各個激光器之間的校準也必須保持一致。

如果激光器沒有以正確的功率對準正確的位置并以正確的速度移動，則可能會影響3D打印零件的質(zhì)量。

金屬增材制造行業(yè)特定的標準還相對不成熟，許多標準組織（ASTM，SAE，AWS，API等）正在開發(fā)或完善其文檔。美國國家航空航天局（NASA）是最早于2017年10月發(fā)布此類準則的組織之一，其準則是L-PBF的增材制造航天硬件標準（MFSC-STD-3716）和隨附的L-PBF工藝控制和鑒定規(guī)范（MFSC-SPEC-3717）。

根據(jù)MFSC-SPEC-3717，“校準只有在連續(xù)維護時才有效，而出于現(xiàn)實原因，在每次構(gòu)建前進行激光3D打印設備的校準是不可行的。較長時間的校準間隔是在生產(chǎn)效率和質(zhì)量保證之間做出折衷的結(jié)果。”這一信息反映出，無法在每次構(gòu)建前進行校準，使制造商不得不在生產(chǎn)效率和質(zhì)量保證之間做出選擇。

MFSC-SPEC-3717指定了幾個指標，包括激光聚焦和對準指標，規(guī)定必須至少每90天進行一次校準，以使增材制造過程保持合格，并將該設備所生產(chǎn)的3D打印零件標記為合格。NASA的增材制造航天硬件標準并沒有說明如何校準這些指標，但承認：“將有目的的標記激光打成平坦的實心板并根據(jù)指標評估標記（基于過去的性能）可能會提供足夠的掃描頭健康狀況的證據(jù)。”

盡管這是進行激光校準的標準做法，但這種校準方法不僅耗時，而且還存在很大的不一致風險，由于幾乎是人工手動的方式在完成這一過程，其中存在著許多固有的可變性。例如，為了校準激光聚焦，許多設備制造商要求將陽極氧化鋁板放入構(gòu)建室中，并小心地將其在構(gòu)建平面上設置為與要打印材料的位置相同的高度（單位為微米）。將線燒入板中，然后取出并進行測量確定哪個軌道的直徑最小，從而指示激光的焦點。在激光對準的情況下，一般需要再次在鋁板或熱敏紙上燃燒一系列的線。得到的結(jié)果有時需要發(fā)送到第三方進行光學坐標測量機（CMM）分析，生成校準文件，并發(fā)回給現(xiàn)場的服務工程師進行安裝。如遇到需要多次進行迭代的情況，將顯著增加校準時間，這一過程不僅依賴人工經(jīng)驗，而且會增加非生產(chǎn)時間，影響生產(chǎn)效率。

自動化原位校準

VELO3D 通過軟件改變這一狀況，VELO3D 在其金屬3D打印系統(tǒng)中提供了預先構(gòu)建的校準功能，可以簡化并自動進行打印設備光學系統(tǒng)的原位校準。VELO3D 的技術(shù)可以實現(xiàn)在構(gòu)建之前測量各種指標，包括光束穩(wěn)定性、激光對準和聚焦等。增材制造的最終用戶只需按一下按鈕即可運行光學校準，而無需任何外部測量設備和復雜的人工手動校準過程。

同樣重要的是，這種自動化過程可以捕獲大量使用手動校準方法無法獲得的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)用于實時更新系統(tǒng)的校準表，并確保已按照規(guī)格制造給定的組件，也可以隨著時間的推移進行編譯，用于統(tǒng)計過程控制程序和其他質(zhì)量管理系統(tǒng)。

VELO3D 金屬3D打印機上的校準儀表板。機器健康狀況得到持續(xù)監(jiān)控，以確保粉末床質(zhì)量，傳感器和光學元件均已正確校準并處于最佳狀態(tài)，并且不會影響零件質(zhì)量。來源：VELO3D

精確的粉末層

除了L-PBF工藝中涉及的光學元件外，校準粉末床的質(zhì)量也是影響3D打印零件質(zhì)量的關(guān)鍵因素。粉末床的厚度和均勻度都必須精確，以確保激光適當?shù)厝刍恳粚印Ｈ绻勰┐蔡瘢瑒t打印層可能無法完全熔化，從而導致熔合不足。如果太薄，金屬可能會過熱，甚至可能在熔池中蒸發(fā)。兩種結(jié)果都會對所得零件的機械性能產(chǎn)生非常不利的影響。正確的校準對于提供精確的粉末層至關(guān)重要，如果光學器件也經(jīng)過正確的校準，則粉末可以產(chǎn)生正確的焊接金屬層。

與間隔90天需要進行光學校準不同的是，NASA 的增材制造航天硬件標準要求每180天校準一次粉末床質(zhì)量。然而在任何給定的粉末涂覆過程中都可能出現(xiàn)錯誤，顯然3D打印零件質(zhì)量的控制無法依賴180天一次的粉末床校準。以往，很多3D打印系統(tǒng)通常沒有定量方法來測量粉末床的質(zhì)量和狀態(tài)，而是采用對粉末床照片進行定性分析的方式，但這一方式無法提供出給定時間粉床本身狀態(tài)的實際數(shù)據(jù)。

VELO3D 的金屬增材制造系統(tǒng)進行檢查，確保鋪粉刮板在每次構(gòu)建之前和構(gòu)建過程中都能完成工作。此功能取決于高度映射器的度量系統(tǒng)，該系統(tǒng)實質(zhì)上可測量粉末床拓撲，其z軸分辨率為15微米，x和y軸分辨率為100微米。這種真正定量的測量可確保由鋪粉時輸送的層在整個構(gòu)建平面上的厚度和均勻性均在規(guī)格范圍內(nèi)。

構(gòu)建進度屏幕顯示與監(jiān)視金屬3D打印生成有關(guān)的重要統(tǒng)計信息摘要，包括進度和預估的完成時間、生成圖像、生成ID和名稱、平均吞吐量、中斷、熱圖以及零件和生成屬性。來源：VELO3D

VELO3D的解決方案是集成計量系統(tǒng)，可測量關(guān)鍵過程變量，然后自動重新校準機器。校準程序測量機器工作范圍包括校準49個點的精度和一致性。只需按一下按鈕，操作員就可以隨時運行它。VELO3D的Sapphire 3D打印機還可在每次構(gòu)建之前自動檢查耗材的級別或壽命 – 例如過濾器，篩子和粉末供應 – 并在機器監(jiān)視器上顯示相關(guān)信息。

在多激光3D打印系統(tǒng)中存在的另一個問題是不同激光頭的相鄰表面之間的縫合質(zhì)量。激光必須完美對齊，以創(chuàng)建光滑，無縫的表面。3D科學谷了解到，即使是50微米的差異也是可辨別的，并且可能不利地影響零部件的結(jié)構(gòu)完整性。

此外，隨著構(gòu)建方向沿著垂直的Z軸前進，XY軸對準可能會漂移，因此必須進行過程跟蹤并進行校正以確保整個構(gòu)建的對齊。如果沒有過程跟蹤，可能會在最終的零部件產(chǎn)生嚴重缺陷，從而導致需要返工或額外的后期處理。

VELO3D的傳感器系統(tǒng)實時解決了這個問題，通過在構(gòu)建的每一層的工件表面上大約500個點處的相鄰激光點覆蓋過程中的監(jiān)視，當檢測到未對準時，系統(tǒng)會在控制系統(tǒng)中自動調(diào)整。這是一種手段，不僅可以使單個零部件達到更高的精度和表面質(zhì)量，而且可以在多個零部件的加工中提高質(zhì)量穩(wěn)定性。

VELO3D 采用的自動化校準所帶來的明顯好處是，在產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題之前，識別出金屬增材制造系統(tǒng)中的問題，從而進行糾正。從本質(zhì)上講，使用增材制造工藝創(chuàng)建的零部件通常是昂貴的，而越晚發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，金屬增材制造的成本就越高。通過工藝仿真、質(zhì)量監(jiān)控軟件等智能化手段盡早識別并糾正影響打印質(zhì)量的因素非常重要。

除此之外，VELO3D 的技術(shù)所帶來的一個附加的好處是在每次構(gòu)建之前都會對增材制造系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進行校準，這一過程中創(chuàng)建了大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于開發(fā)過程中控制軟件。通過在每次建立光學系統(tǒng)狀態(tài)，粉末床質(zhì)量和其他參數(shù)之前收集數(shù)據(jù)，可以查看系統(tǒng)隨時間推移的運行情況，并通過觀察在實際達到控制極限之前趨于不合規(guī)格的情況，來預測機器何時可能需要進行預防性維護。

當然，用于自動化校準的軟件對于L-PBF 3D打印工藝最重要的意義還是在于提供更高質(zhì)量的3D打印零件。NASA MFSC-STD-3716 標準中曾描述到：“在關(guān)鍵領(lǐng)域中使用粉末床激光熔化3D打印部件的最大潛在風險的局限性在于無法驗證單個零件的完整性。” 而VELO3D 通過軟件所實現(xiàn)的在每次構(gòu)建之前進行校準的能力，則有助于解決這些問題，為其金屬3D打印技術(shù)實現(xiàn)更廣泛的生產(chǎn)級應用奠定基礎。
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